发动机换气过程.docx

发动机换气过程 第三章发动机的换气过程 发动机的排气过程和进气过程统称为换气过程。换气过程的任务是将气缸内废气排除干净，并充入尽可能多的新鲜气量--在柴油机中是空气；在汽油机中是燃油与空气的混合气（可燃混合气），这是保证发动机动力性的重要条件。燃料在气缸内完全燃烧需要一定量的空气，完全燃烧时汽油与空气的体积比约为1：10000，而柴油与空气的体积比还要更大一些。由此可见，可燃混合气中燃料所占容积比例很小，所以充入气缸的混合气燃烧放热量的大小，主要取决于充入缸内的空气量多少。每循环进入气缸的空气量多，既可多供给一些燃料，又可以提高燃料的完全燃烧程度。提高发动机的扭矩和功率。此外，换气过程有功率损失使热效率降低。换气过程的好坏对发动机零件的热复合、排气冒烟、大气污染等也有一定影响。 为了不断提升发动机性能，必须深入研究换气过程的展开情况，分析影响充气量的各种因素，找到提升充气量和增加换气损失的方向与措施。 3.1四行程发动机的换气过程 四行程发动机配气机构均使用气门换气方案，其换气过程就是排气门打开至进气门停用的整个时期，约占到曲轴转角380°～490°。根据气体流动特点和入排气门运动规律，换气过程可以分成民主自由排气、强制性排气、惯性排气、准备工作进气口、正常进气口和惯性进气口六个阶段，例如图3-1右图。 图3-1换气过程气缸压力、排气管压力、 入排气门流通截面积的变化 (a)气缸压力、排气管压力随曲轴转角θ的变化曲线 (b)入排气门相对流通截面积随其曲轴转角θ的变化曲线 (c)四行程发动机进、排气门开闭时间 1.民主自由排气阶段 从排气门在下止点前开启到活塞行至下止点这个时期称自由排气阶段。该阶段曲轴转过的角度称为排气提前角，一般为40°～80°轴转角。 由于配气机构惯性力的管制，气门打开与停用无法太快，须要一定时间，如果活塞至VTD点时排气门才已经开始打开，在打开初期上开度极小，废气无法畅通流入，气缸内压力上升缓慢，无法同时实现充份排气，而且在活塞向上止点Be7时会构成很大的反压力，减少排气行程所消耗的功。为此，排气门必须在VTD点前打开（图3-1中b`点），这时气缸废气压力较低，可以利用废气自身的压力自行排泄。从图3-1中可知，此阶段气缸内压力大于排气管压力两倍以上，排气的流动处在超临界状态，读者参照工程热学气体的流动和放大章节）此时通过排气门口的废气流速，等同于该状态下的音速，废气流量只与气缸内的气体状态及气门最轻打开截面积有关，而与排气管内压力p毫无关系。并且因排在气流甚低，在排气过程中诱发刺耳的噪声，所以排气系统必须装有消声器。 随着废气大量排出及活塞向下止点移动，气缸内压力迅速下降，当缸内压力与排气管内压力之比下降到2以下时，排气流动转入亚临界状态，废气流速降低，产生的噪声较小。此时排出的废气量由缸内及排气管内的压力差来决定。压力差越大排出废气越多。当到某一时刻缸内与排气管内压力相等，自由排气阶段结束（一般下止点后10°～30°曲轴转角）。此阶段虽然历程很短，但因排气流速甚高，排出废气量达60%以上。 由此可见，在民主自由排气阶段中，排泄的废气量与发动机输出功率毫无关系。发动机输出功率低时，在同样的排气时间（以秒计）所相当的曲轴转角减小，因此，在高速发动机中，排气提早角必须小一些。但不必过小，否则可以并使排气损失加强。 由于排气系统阻力的影响，当活塞到下至点b时，气缸内压仍高于大气压力。 2.强制性排气阶段 自由排气以后，由于排气门节流的影响，气缸内平均压力与排气管内平均压力之差较小，因此不能再自行流出，而是靠活塞从下止点向上止点移动时的推力强制排出废气，由上行活塞强制推出的这个时期称为强制排气阶段。此阶段虽然持续时间较长，但因缸内废气压力逐渐接近大气压力，故该阶段排除废气只占总气量的一小部分。 3.惯性排气阶段 从活塞由上止点下行至排气门关闭这个时期称为惯性排气段，该阶段的曲轴角称为排气迟闭角，一般为10°～30°。 强制性排气以后，气缸内压力仍稍高于大气压力，如果此时排气门稳步维持打开状态，则利用气缸内外的压力差和废气流动惯性可以稳步排气，所以排气门都在横移点后才停用，用来缩短排气时间以便进一步确定废气。 4.准备进气阶段 为了减少入气量，进气门必须在横移点前，排气尚未完结时就已经开始打开，以确保活塞下前进气已经开始时，就存有很大的进气口地下通道横截面，为进气口做好准备工作，从进气门已经开始打开至活塞路经横移点这个时期称作准备工作进气口阶段。该阶段曲轴抬起的角度称作进气口提早角，通常为10°～30°曲轴转角。由于进气口提早角较小，